CN104607706B - 一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，包括刀座、圆柱头螺钉、永磁减振模块、质量块、心轴、刀体；刀体头部设有空腔以及刀头内螺纹孔，尾部设有内孔和接口，中部轴向设有心轴孔；心轴穿过心轴孔，由刀尾内孔定位；永磁减振模块、质量块位于刀头空腔中；刀座与刀体固定连接，刀座顶端设有端键，刀座底端设有座底螺纹孔，圆柱头螺钉旋入底座螺纹孔，圆柱头螺钉的头部与外磁铁接触，调整圆柱头螺钉旋入座底螺纹孔的长度可以调整两对内磁铁和外磁铁之间的气隙。本发明能有效抑制铣削加工中的刀具颤振现象，适用于各种深腔，深孔零件的加工。

Description

一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆

技术领域

本发明涉及一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，具体涉及一种金属铣削加工过程中的减振刀杆，属于机械加工领域。

背景技术

金属切削加工过程中，刀具与工件间常常会出现颤振现象。颤振影响加工精度，降低机床和刀具的使用寿命，同时，颤振还伴随着噪音，污染加工环境。颤振的消除除了选用合适的切削参数，还可以通过提高刀具系统或者机床的刚度、阻尼实现。将阻尼器应用于铣刀是一种很好的解决方案

阻尼器主要分为主动、半主动、被动三种形式。主动和半主动形式的阻尼器通常需要外部能源的供给、复杂的控制算法和较大的空间，而铣刀由于运动状态和空间限制使得被动阻尼器相较主动、半主动更容易在铣刀上实现。

被动阻尼器又分为调谐式、冲击式、涡流式、电磁式、摩擦式等。其中涡流式相对于其他几种被动阻尼器具有结构简单，无需调谐等特点。涡流式阻尼只增加刀具阻尼，不改变刀具的刚度，对刀具的设计非常有利。

目前，减振刀具中应用的阻尼器主要分为两种：动力吸振器和摩擦阻尼器。动力吸振器中的阻尼单元主要通过将粘性液体密封于特定空腔实现。密封元件在振动环境中容易发生松动，并且存在老化现象，可能造成阻尼液的渗漏，降低阻尼器减振效果，污染阻尼器其余元件。摩擦阻尼器主要通过与主结构的直接接触，并且发生相对位移耗散振动能量，不均匀的摩擦极易造成阻尼器局部高温，烧伤阻尼器或者主结构，使结构发生变形。同时，摩擦造成阻尼器材料耗损会使预先设置好的最佳阻尼参数发生偏离，降低阻尼器性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，具有消除铣削加工中的颤振现象，提高金属切削质量，提高金属去除效率，降低被加工零件表面粗糙度的作用。

一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，包括刀座、圆柱头螺钉、永磁减振模块、质量块、心轴、刀体；

刀体头部设有空腔以及刀头内螺纹孔，尾部设有接口，中部轴向设有心轴孔，心轴孔后端还设有刀尾内孔，刀尾内孔与接口连通；

心轴的一端为小端，另一端为大端，心轴穿过心轴孔，心轴的小端位于刀体头部空腔中，心轴的大端通过刀尾内孔定位；

永磁减振模块、质量块位于刀头空腔中；

永磁减振模块包括一对外磁铁、一对涡流阻尼片、一对内磁铁，其中，单个外磁铁、单个涡流阻尼片和单个内磁铁三者构成一组减振对；外磁铁固定连接涡流阻尼片，内磁铁分别粘接在质量块两侧，每个内磁铁外侧布置与其相对应的外磁铁，内磁铁与外磁铁同极相对；外磁铁的外侧端面分别与心轴小端的端部以及圆柱头螺钉接触；

刀座与刀体固定连接，刀座顶端设有用于刀盘安装的端键，刀座内设有座底螺纹孔，圆柱头螺钉旋入底座螺纹孔，圆柱头螺钉的头部与外磁铁接触，调整圆柱头螺钉旋入刀座的长度进而调整内磁铁和外磁铁对之间的气隙。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆无论刀具转速高低，都可以有效抑制铣削加工中的刀具颤振现象，适用于各种深腔，深孔零件的加工；

(2)本发明一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆结构简单，内置阻尼器与铣刀刀杆无直接接触，阻尼器的阻尼可调；

(3)本发明一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，内置阻尼器的质量块具有自动定心功能，无需其他辅助定心装置；

(4)本发明一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，内置阻尼器兼具动力吸振器和传统电涡流阻尼器的优点，可以同时实现调谐和阻尼系数的无极调节；

(5)本发明一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，内置阻尼器只提高刀杆的阻尼，而带预紧的心轴只提高刀杆的刚度，故刀杆刚度和阻尼可分别调节；

(6)本发明一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，内置阻尼器的阻尼通过电涡流效应实现，避免了粘性液体和密封元件的使用；

(7)本发明一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆使用寿命长，阻尼机构由廉价材料构成，无需密封结构，使用维护成本低廉，对环境无污染，减振过程无碰撞，噪声低。

附图说明

图1为本发明的轴向剖视图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的左视图；

图4为本发明的右视图

图5为本发明内置阻尼器的永磁铁磁极轴向布置剖视图；

图6为本发明轴向剖视图局部放大图；

图中：

1-刀座 2-圆柱头螺钉 3-永磁减振模块

4-质量块 5-心轴 6-刀体

104-刀座内孔 102-座底外圆 103-座底螺纹孔

301-外磁铁 302-涡流阻尼片 303-内磁铁

501-预紧螺母 502-防松垫片 503-心轴大端

504-六角沉头孔 505-心轴小端

601-刀头内螺纹孔 602-刀头空腔 603-心轴孔

604-刀尾内螺纹孔 605-Capto接口

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，轴向剖视图、主视图、左视图、右视图、如图1、2、3、4所示；

一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，包括刀座1、圆柱头螺钉2、永磁减振模块3、质量块4、心轴5、刀体6。

刀体6头部设有刀头空腔602以及刀头内螺纹孔601，尾部设有Capto接口605，中部轴向设有刀体心轴孔603，心轴孔用于安装心轴5；刀体6内孔后端还设有带螺纹的刀尾内螺纹孔604，刀尾内螺纹孔604与Capto接口605连通；刀头空腔602用于永磁减振模块3、质量块4、预紧螺母501和防松垫片502的安装；刀尾内螺纹孔604用于心轴大端503的安装。

心轴5的一端为心轴小端505，另一端为心轴大端503，心轴5尾部设有六角沉头孔504，心轴5的心轴小端505由Capto接口605的内孔插入，使用外六角扳手通过六角沉头孔504将心轴5的心轴大端503旋入刀尾内螺纹孔604底端，心轴5穿过刀体心轴孔603，心轴5的心轴小端505进入刀体6头部刀头空腔602，心轴5的心轴小端505通过预紧螺母501固定，预紧螺母501与刀体6之间设有防松垫片502，心轴5的心轴大端503通过刀尾内螺纹孔604固定；预紧螺母501可以为刀体6提供合适压应力，合适的压应力可以显著提高刀体刚度，降低刀体的振动幅度。

心轴5安装完毕之后，将永磁减振模块3、质量块4置入刀头空腔602；

如图5所示，永磁减振模块3包括一对外磁铁301、一对涡流阻尼片302、一对内磁铁303，为方便叙述，此处将单个外磁铁和单个涡流阻尼片粘接起的的集合体分为一组，两组集合体分别与心轴小端505的端部接触和圆柱头螺钉2接触；内磁铁303分别固定在质量块4两侧(粘接)，内磁铁303与质量块4同心，质量块4位于两个外磁铁301之间；

相对应的外磁铁301与内磁铁303磁极相反，以提供反向斥力。；

安装时，将其中一组包含涡流阻尼片302和永磁减振模块外磁铁301的集合体置入刀头空腔602，外磁铁301与心轴小端505的端部接触，内磁铁303分别通过粘接剂与质量块4粘接牢固，内磁铁303在粘接过程中应该与质量块4保证同心，内、外磁铁保证磁极相反，随后将粘接有内磁铁的质量块置入刀头空腔602，最后以类似方式完成另一组外磁铁的安装。

刀座1与刀体6以座底外圆102通过螺纹紧配合连接。刀座1顶端有用于刀盘固定的端键和刀座内孔104，刀座1底端设有用于连接刀体6的外圆，刀座1以端面在刀体6上定位。

刀座1设有端键，刀座1一端设有刀座内孔104，另一端设有座底外圆102，外围设有座底螺纹孔103，座底螺纹孔103与刀头内螺纹孔601配合连接，刀座1内设有座底螺纹孔103，圆柱头螺钉2旋入座底螺纹孔103，圆柱头螺钉2的头部与外磁铁301接触，圆柱头螺钉2旋入刀座的长度可以调整两对内磁铁303和外磁铁301之间的气隙，从而改变阻尼器阻尼的大小。

永磁减振模块3、质量块4、圆柱头螺钉2形成基于涡流阻尼效应原理的电涡流调谐质量阻尼器。

所述刀座1由钢或者硬质合金制成，在其上端的端键传动部分依据GB/T613-93选用。底端外圆直径为刀体6头部直径的65％～70％，座底外圆102与刀体6由右螺纹紧配合连接。刀座1底端外圆中心留有螺纹用于圆柱头螺钉的安装。

所述刀体6由工具钢或硬质合金制成，设有3°锥角，刀体6尾部Capto接口605执行ISO26623-1标准。刀体6头部空腔与尾部Capto接口605之间设有用于心轴和拉钉安装的内孔。

所述圆柱头螺钉2用于涡流阻尼器阻尼大小的调节。圆柱头螺钉2通过改变旋入座底外圆102的长度来调整永磁减振模块3的内部间隙，从而改变永磁铁间隙之内的磁场强度，间接改变振动阻尼。

所述永磁减振模块3中，内、外永磁铁均采用轴向方式充磁，其磁极相对。外磁铁301锥孔锥度与内磁铁303锥度相同，锥度大小视质量块4质量而定，质量越大则锥度越小。涡流阻尼片302由铝等顺磁质金属制成，涡流阻尼片302通过粘接剂与外磁铁301锥孔表面固定，内、外永磁铁的相对运动会在涡流阻尼片上产生涡流，从而将振动的机械能转变为热能耗散。两对永磁减振模块3的外磁铁301分别与圆柱头螺钉2和心轴5端部接触。

所述质量块4为圆柱形，材料为钨钢或者铜质圆柱空腔填充铅，优先选用高密度合金材料。质量块4与刀体6头部空腔内壁之间存在至少1mm的间隙，以防止质量块4与内壁碰撞，避免刀头空腔602内壁对质量块4的振动造成干涉。

所述心轴5设有心轴大端503和心轴小端505，两端均设有螺纹，心轴小端503螺纹与预紧螺母501配合，心轴大端503螺纹用于心轴5在刀体6中的定位。防松垫片502用于防止由刀体6或者心轴5振动引起的预紧螺母501松动。心轴主要为刀杆提供合适的压应力，刀杆受压应力作用，则其静刚度可以得到较大的提升。

刀体6发生弯曲变形时，心轴5伴随着刀体6发生弯曲。一方面，刀体6弯曲会在心轴上作用一个弯曲力矩，根据牛顿第三定律，心轴5也会给刀体施加一个反向力矩，该力矩的作用效果是阻止刀体6发生更大的弯曲；另一方面，由于心轴大端503受到固定约束，心轴小端505的位移会略小于刀杆空腔底部位移，两者表面发生相对滑移，也可以耗散振动能量。

刀体6发生振动时，刀头空腔602内置的电涡流调谐质量阻尼器是主要的振动抑制部件。该电涡流阻尼调谐质量阻尼器主要是采用非接触式轴承中常见的电磁支承取代传统动力吸振器中的弹簧作为弹性单元；采用电涡流耗能原理取代动力吸振器使用的粘性液体作为阻尼单元。同时，采用锥形凹槽磁铁作为阻尼器质量块的定位装置，电涡流调谐质量阻尼器的工作过程中质量块与刀体6没有任何接触。当质量块4连同粘接其上的内磁铁303振动时，内外磁铁之间的气隙中的磁场强度发生变化，穿过涡流阻尼片302的磁通量就会发生连续变化，根据法拉第电磁感应定律，涡流阻尼片302中产生电涡流。根据楞次定律，电涡流会同时产生一个与原电磁场方向相反的新磁场，该磁场作用于内磁铁303之上，阻碍质量块的振动，从而形成阻尼力。由于涡流阻尼片302中电阻的存在，其中存在电涡流会产生热量，将振动能量最终转变为热能，最终达到减振目的。电涡流阻尼调谐质量阻尼器的质量连同内磁铁303形成纺锤状，由陀螺原理可知，高速旋转时，该结构具有定轴性，此结构可以保证质量块的振动方向垂直于刀杆轴线，避免质量块振动的随机性。由于质量块4与刀体6之间无直接连接部件，因此，涡流阻尼调谐质量阻尼器仅仅改变刀杆的阻尼，而对其刚度基本无影响。为了最大化涡流阻尼调谐质量阻尼器的减振效果，阻尼器在使用之前最好对其进行调谐，调谐的标准是阻尼器的固有频率约等于刀杆的自然频率。所述内置阻尼器调谐的方式主要是改变内外磁铁组的气隙实现，气隙越小，则阻尼器的自然频率越高。综述所述，本发明所述基于电涡流阻尼效应的内置阻尼器具有阻尼系数简单连续可调、无附加刚度、无工作流体、无摩擦阻尼、无需电源、结构紧凑等优点。

Claims (10)

1.一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，包括刀座、圆柱头螺钉、永磁减振模块、质量块、心轴、刀体；

刀体头部设有空腔以及刀头内螺纹孔，尾部设有接口，中部轴向设有心轴孔，心轴孔后端还设有刀尾内孔，刀尾内孔与接口连通；

心轴的一端为小端，另一端为大端，心轴穿过心轴孔，心轴的小端位于刀体头部空腔中，心轴的大端通过刀尾内孔定位；

永磁减振模块、质量块位于刀头空腔中；

永磁减振模块包括一对外磁铁、一对涡流阻尼片、一对内磁铁，其中，单个外磁铁、单个涡流阻尼片和单个内磁铁三者构成一组减振对；外磁铁固定连接涡流阻尼片，内磁铁分别粘接在质量块两侧，每个内磁铁外侧布置与其相对应的外磁铁，内磁铁与外磁铁同极相对；外磁铁的外侧端面分别与心轴小端的端部以及圆柱头螺钉接触；

刀座与刀体固定连接，刀座顶端设有用于刀盘安装的端键，刀座内设有座底螺纹孔，圆柱头螺钉旋入底座螺纹孔，圆柱头螺钉的头部与外磁铁接触，调整圆柱头螺钉旋入刀座的长度进而调整两对内磁铁和外磁铁对之间的气隙。

2.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述心轴的小端通过预紧螺母固定，预紧螺母与刀体之间设有防松垫片。

3.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述的刀座由工具钢或者硬质合金制成，在其上端端键的传动部分依据GB/T6132-1993选用。

4.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述的刀座座底外圆直径为刀体头部直径的65％～70％，座底外圆与刀体头部空腔连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述的刀体由工具钢或硬质合金制成，设有3°锥角。

6.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述的刀体的尾部接口执行ISO26623-1标准。

7.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述外磁铁的锥孔锥度与内磁铁的锥度相同，锥度大小与质量块质量成反比例关系。

8.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述涡流阻尼片采用顺磁质金属，内外磁铁与阻尼片构成一组减振对。

9.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述质量块为圆柱形，采用钨钢或者铜质圆柱空腔填充铅。

10.根据权利要求1所述的一种基于电涡流阻尼效应的减振铣刀刀杆，所述质量块与刀体头部空腔内壁最小间隙为1mm。